다양한 배터리 및 에너지 저장 기술로 주로 관심을 쏟는 대상은 전극의 계통 구조이다. 이 전극 구조에서 금속 이온(통상적으로 리튬)이 효율적으로 이동할 수 있으며, 이 메커니즘에 따라 전극들이 충전되고 방전된다. 그런데 전극을 구성하는 소재는 관심을 충분히 받고 있는 것과 달리, 전극들로 코팅을 적용함으로써 전극의 성능과 안정성을 높일 수 있다는 점에 대해서는 잘 알려져 있지 않다. 다양한 공정 및 산업용 환경에 사용되는 전극으로도 이러한 코팅을 적용할 수 있다.

전극 코팅은 반드시 필수적인 것은 아니나, 전극 코팅을 하면 특정한 이점들을 거둘 수 있다. 시간과 비용이 증가함에도 불구하고 전극 코팅을 도입하는 것은 그만한 이점들이 있기 때문이다. 때로는 필요로 하는 코팅 공정이 꽤 복잡하고 상당한 비용이 들 수도 있다. 특히 첨단 코팅 기법을 사용할 때는 더 그럴 것이다.
 

이러한 새로운 타입의 전극을 도입하고자 하는 데에는 두 가지 이유가 있다. 성능/효율 향상을 이룰 수 있고, 또 하나는 안전을 높일 수 있다는 것이다. 대부분은 이러한 향상을 이루기 위해서 새로운 소재들로 눈을 돌리는데, 전극 코팅은 전극 제조사들이 기존에 널리 사용되는(그러므로 더 저렴한) 소재들을 또 다른 방법으로 활용할 수 있도록 한다.

하지만 앞서도 언급했듯이, 이러한 코팅을 위해서는 비용이 증가될 것이다. 코팅을 외부 업체에다 맡겨서 하려면 더 그럴 것이다. 원자층 코팅을 필요로 하는 경우를 들 수 있다. 이러한 코팅을 위해서는 각기 필요에 따라서 맞춤화된 공정이 필요할 수 있기 때문이다.

성능 상의 이점을 보자면, 코팅을 한 전극은 코팅을 하지 않은 전극에 비해서 수명이 더 긴 것으로 알려지고 있다. 뿐만 아니라 배터리 용량을 두 배까지 늘리고, 전극의 충전 속도를 높이고, 안전을 해치지 않으면서 전극의 전압을 높이도록 한다.

또한 코팅은 시간이 흐르면서 배터리로 SEI(solid electrolyte interphase: 고체 전해질 상) 층이 형성되는 것을 방지하며, 혹은 적어도 이 층이 더 적게 형성되도록 한다. 그럼으로써 시간이 흐르면서 전극 성능(그러므로 호스트 기술 성능)이 저하되는 것을 방지한다. 전극의 산소 발생 반응(oxygen evolution reaction)이나 염소 발생 반응(chlorine evolution reaction)을 향상시키기 위한 특수 코팅을 적용할 수도 있다. 이러한 특수 코팅으로 다양한 산업 표준 소재들을 사용해서 원하는 효과를 달성할 수 있다.

전극의 아크 안정성 향상

안전 측면에서는, 코팅을 하면 아크 경로를 이온화함으로써 전극의 아크 안정성을 향상시키고, 과전압과 성급한 사이클링을 방지한다. 전극을 손상시킬 수 있는 다양한 기체 및 액체 오염물에 대해서 보호 표면을 제공하며, 유해 가스가 집중되는 것을 감소시킨다(실제적으로 음극으로 이러한 기체들이 많이 형성된다). 대형 전극은 가혹한 공정 환경에 많이 사용되며, 코팅은 다양한 공정 조건(용해된 슬래그와 금속 포함)으로부터 전극을 보호할 수 있는 수단을 제공한다. 코팅을 적용함으로써 전극이 애플리케이션에 상관없이 훨씬 더 안정된 환경에서 동작할 수 있다.

이러한 코팅을 위해서 다양한 소재들을 사용할 수 있으며, 각각의 필요에 따라서 적당한 두께로 증착할 수 있다. 이를 위해 전극으로 코팅을 여러 번 할 수 있다. 하지만 코팅을 두껍게 하는 데에는 한계가 있다. 코팅의 무게는 전극 무게의 최대 30퍼센트까지만 가능하다. 이것은 대형 전극으로 최대 3mm 두께에 해당된다. 주로 많이 사용되는 소재들로는 금속과 금속 산화물, 전이 금속으로 이루어진 화합물, 광물 화합물, 안정성 유기물(셀룰로오스 등)을 들 수 있다. 많은 경우에 성능과 안전을 둘 다 향상시키는 코팅을 달성하기 위해서 이러한 물질들을 여러 가지를 필요로 하며, 물질들을 결합해서 코팅을 여러 번 해서 코팅 내의 금속들과 화합물을 형성하도록 한다.

최근 들어서는 원자층 증착(ALD) 같은 나노스케일 증착 기법이 발전함으로써 전극 표면으로 초박막 코팅을 증착할 수 있게 되었다. 이것은 특정한 나노 소재일 수도 있고, 아니면 다양한 성분으로 이루어진 나노 크기 필름일 수도 있다. 많은 나노 소재는 전자 전도도와 전하 이동 특성이 우수할 뿐만 아니라 가혹한 화학물질, 고온 및 고압, 다양한 기계적 변형에 대해서 안정적인 것으로 알려지고 있다.

이러한 필름은 매우 얇기 때문에 전극 외면으로 방해가 되지 않는다. 이와 달리 어떤 경우에는 이 두께가 이온의 이동을 방해할 수 있다. 다른 타입의 코팅과 비교해서 무엇보다도 큰 장점은, 여러 가지 물질을 결합할 필요가 없다는 것이다. 나노 증착 기법은 특정한 물질을 사용해서 특정한 효과를 달성하는 특정한 코팅을 달성하도록 맞춤화가 용이하며, 코팅으로 여러 가지 물질을 필요로 하지 않는다. 이러한 이유에서 나노 증착 기법이 다른 전극 코팅 기법들에 비해서 훨씬 더 큰 관심을 받고 있다. 다만 대체로 더 많은 비용이 든다. 그러므로 이 기법은 소형 전극에 좀더 적합하며, 다른 코팅 기법들은 대형 전극에 적합하다.

맺음말 

많은 이들은 전극의 성능과 안전을 향상시키기 위해서 전극에 사용되는 소재로 눈을 돌려야 한다고 생각하기 쉬운데, 기존에 널리 사용되는 소재들을 활용하면서 전극 코팅을 통해서도 향상을 이룰 수 있다. 

이러한 코팅에는 다양한 물질들을 사용할 수 있으며, 많은 경우에 전극 코팅을 위해서 여러 가지 물질을 결합하는 것을 필요로 한다. 그런데 나노 소재/초박막 코팅(나노 코팅)은 여러 가지 물질을 결합할 필요가 없다. 이 기술은 비교적 새로운 기술로서, 나노 제조 기법의 발전과 더불어 등장하게 되었다. 전극 코팅에 사용하기 위해서 더 높은 비용에도 불구하고 이 기술에 대한 관심이 빠르게 높아지고 있다.

 
■ 저자 소개



리암 크리칠리(Liam Critchley)는 화학과 나노 기술을 전문으로 하는 기고가, 저널리스트, 커뮤니케이터로서, 분자 차원의 원리를 다양한 영역에 어떻게 응용할지 알리는 역할을 하고 있다. 자신의 지식을 바탕으로 과학자들과 일반인 모두를 위해서 복잡한 과학적 주제를 쉽게 설명하고자 한다. 화학과 나노 기술을 아우르는 다양한 주제와 산업 분야에 걸쳐서 350건 이상의 기사를 발표했다. 

유럽에서 나노기술 산업 협회(NIA)의 과학 커뮤니케이션 책임자이며, 몇 년 전부터 전세계 기업, 협회, 미디어 웹사이트를 위한 기고 기사를 쓰고 있다. 나노 기술과 화학 공학으로 화학 석사학위를 취득했다. 

미국 국립 그래핀 협회(NGA)와 국제 기구인 나노테크놀로지 월드 네트워크(NWN)의 자문 위원이며, 영국의 과학 학술 단체인 GlamSci의 이사회 위원이다. 영국 나노의약 협회(BSNM) 및 국제 첨단 소재 협회(IAAM) 회원입니다. 또한 다수의 학술 저널에 피어 리뷰어로 참여하고 있다.